Smart Waste

Umweltschutz und effektive Müllverwaltung sind von größter Bedeutung, um eine nachhaltige und gesunde Umwelt zu gewährleisten. Die Visualisierung der Müllverwaltung mit Einflussfaktoren wie Besucherzahl und Temperatur ermöglicht nicht nur eine effiziente Müllentsorgung, sondern fördert auch das Umweltbewusstsein der Besucherinnen und Besucher.

Dieses Projekt ist im Rahmen des Kurses “Grundlagen der Datenvisualisierung” im Sommersemester 2022 an der Hochschule Mannheim unter der Leitung von Prof. Dr. Till Nagel entstanden.

Einführung

Unser Projekt “Smart Waste auf der BuGa” wurde mit der Motivation ins Leben gerufen, die innovative Technologie der “intelligenten” Abfallentsorgung durch Smart Waste-Geräte auf der Bundesgartenschau (BUGA) 2023 vorzustellen und Daten in einer einfachen, übersichtlichen und interaktiven Weise zu visualisieren. Die BUGA ist eines der größten Garten- und Landschaftsbau-Events in Deutschland, und wir möchten dazu beitragen, nachhaltige Lösungen für die Müllentsorgung zu präsentieren.

Die Müllentsorgung auf Großveranstaltungen wie der BUGA ist ein aktuelles Thema und eine Herausforderung für Betreiber. Die herkömmlichen Ansätze können ineffizient und kostenintensiv sein, während gleichzeitig Umweltauswirkungen auftreten können. Unser Lösungsansatz besteht darin, die intelligente Technologie von Smart Waste zu nutzen, indem wir die integrierte Sensorik in Mülleimern nutzen, um den Füllstand in Echtzeit zu überwachen. Dadurch wollen wir nicht nur die Effizienz steigern, sondern auch einen Beitrag zum Umweltschutz leisten.

Unsere Grundidee ist es, mithilfe von Diagrammen die Daten der Smart Waste-Geräte darzustellen und dadurch herauszufinden, wann und wo die höchste Menge an Müll entsorgt wird. Die Hauptfrage, die wir beantworten möchten, lautet:

Wann und wo wird der meiste Müll auf der BUGA entsorgt?

Wir nehmen an, dass mit steigender Temperatur die Besucherzahl auf der BUGA zunimmt, was wiederum zu einer erhöhten Müllproduktion führen könnte. Unser Ziel ist es, diese Zusammenhänge zu erkunden und diejenigen Bereiche zu identifizieren, die besonders von Müllproduktion betroffen sind. Dabei möchten wir auch die Gründe für die erhöhte Müllmenge in bestimmten Bereichen untersuchen.

Durch die Umsetzung dieses Projekts erhoffen wir uns wertvolle Erkenntnisse für eine effizientere und nachhaltigere Müllentsorgung auf Großveranstaltungen und einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten.

Konzept und Tableau als Ausgangspunkt

Die initiale Phase unseres Projekts bestand darin, aus der Menge der verfügbaren Daten sinnvolle Erkenntnisse zu ziehen und eine visuelle Repräsentation zu erstellen, die zur Verbesserung des Abfallmanagements auf der BUGA 2023 beitragen konnte. Dabei stellten wir uns die Frage, wie wir diese Daten auf eine Art und Weise darstellen können, die unsere Analyse und anschließende Umsetzung erleichtert.

Zuallererst haben wir das Konzept händisch auf einem Papier erstellt. Jeder hat einmal seine Vorstellung des Dashboards aufgezeichnet. Die besten Ideen wurden dann kombiniert und zusammengetragen.

Nun kam Tableau ins Spiel. Tableau, als eine der führenden Plattformen für Business Intelligence und Datenvisualisierung, bot uns eine flexible und robuste Umgebung, um unsere initialen Datenauswertungen durchzuführen. Mit Tableau konnten wir schnell verschiedene Visualisierungsmodelle erstellen und mit verschiedenen Datensätzen experimentieren, um aussagekräftige Erkenntnisse zu gewinnen. Es war ein wertvolles Werkzeug, um Datenmuster und -trends zu identifizieren, die wir sonst möglicherweise übersehen hätten.

Wir nutzten Tableau, um die Korrelationen zwischen verschiedenen Variablen wie Wetter, Besucherzahlen und Füllständen der Mülleimer zu erkunden. Durch die intuitive Benutzeroberfläche und die vielseitigen Visualisierungsoptionen konnten wir unterschiedliche Szenarien durchspielen und Hypothesen aufstellen, bevor wir überhaupt eine Zeile Code geschrieben hatten.

Dieser erste Schritt war entscheidend für die Gestaltung unseres Projekts. Die Erkenntnisse, die wir durch Tableau gewonnen haben, bildeten die Grundlage für die Entwicklung unseres maßgeschneiderten Dashboards und halfen uns, unsere Ressourcen effizient zu nutzen. Es war ein Beispiel dafür, wie eine gründliche Vorarbeit und der Einsatz geeigneter Tools dazu beitragen können, die Effizienz und die Ergebnisse eines Projekts zu verbessern.

Unsere Erfahrung mit Tableau und die daraus gewonnenen Erkenntnisse bildeten den Ausgangspunkt für die Entwicklung eines leistungsfähigen und benutzerfreundlichen Systems, das die Daten der Smart-Waste-Geräte effizient nutzt. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse und der Technologie konnten wir ein System entwickeln, das nicht nur zur Verbesserung des Abfallmanagements auf der BUGA 2023 beitrug, sondern auch wertvolle Einblicke für zukünftige Projekte lieferte.

Datenquellen

Um unsere Visualisierung zu realisieren, benötigten wir verschiedene Daten. Darunter die Personenzahl auf der BuGa, die aktuellen Wetterdaten und Daten zu den Mülleimerfüllständen, sowie Einwürfen. Über die Mannheimer Smart City Initiative erhielten wir Zugriff auf die meisten dieser Daten. Da auf der BuGa Personenzähler sowie Sensoren in den Mülleimern angebracht sind, war es möglich, auf diese über eine API zuzugreifen. Lediglich die Wetterdaten beschafften wir uns über eine weitere Schnittstelle, der Stadtklimaanalyse Mannheim.

Über beide APIs war es möglich, die Daten stündlich aggregiert zu ziehen und somit immer den aktuellen Stand auf der Visualisierung abzubilden.

Designprozess und UI/UX-Entscheidungen

Die Darstellung der Daten ist ein wesentlicher Aspekt dieses Projekts. Daher haben wir uns für eine design-orientierte Vorgehensweise entschieden. Zunächst haben wir mit verschiedenen Farbschemata experimentiert. Wir entschieden uns, eine vordefinierte Farbpalette mit ausgewählten, zusammenpassenden Farben zu nutzen.

Die Entscheidung für ein einfacheres und weniger auffälliges Farbschema basiert auf mehreren Faktoren. Erstens fördert es die Lesbarkeit und Verständlichkeit der Datenvisualisierungen. Zweitens ermöglicht es den Benutzern, sich auf die Daten und nicht auf die visuellen Effekte zu konzentrieren. Drittens hatten wir in unserem ersten Farbschema Überschneidungen mit unterschiedlichsten Diagrammen, was zu Verwirrung beim Nutzer führen könnte. Dies ist entscheidend, da unser Hauptziel darin besteht, den Nutzern den Wert und die Vorteile von Smart Waste effektiv zu vermitteln und Verwirrung so gut wie möglich zu vermeiden.

Wir haben uns auch dazu entschieden, eine Karte zu integrieren, um den Standort jedes einzelnen Mülleimers hervorzuheben. Diese Entscheidung wurde getroffen, um die spezifische Lokalisierung der Daten zu betonen. Es ermöglicht den Nutzern, geographische Muster zu erkennen und die Daten in ihrem räumlichen Kontext zu verstehen.

Zunächst hatten wir beide Standorte der BUGA in einer Sicht (links). Um mehr Details pro Park zeigen zu können, haben wir uns am Ende für ein Umschalten zwischen den Standorten entschieden (rechts). Zudem haben wir die finale Karte abgedunkelt und den ausgewählten Park-Bereich hell hervorgehoben, um das BUGA Gelände je deutlicher hervorzuheben.

Auch die Darstellung der Mülleimer-Symbole hat sich im Laufe des Projekts gewandelt. Zunächst zeigten wir lediglich Icons, fabrig nach der Kategorie der Mülleimer getrennt: Die Smart Waste Mülleimer wurden grün und die Ultra Fill Mülleimer lila dargestellt. Jedoch ist die Sensorik der Smart Waste Mülleimer fehleranfällig, was dazu führte, dass wir diese aus unserer Visualisierung entfernten.

Um den Füllstand nicht nur im Liniendiagramm, sondern auch auf der Karte zu visualisieren, entschieden wir uns letztlich, ein Datenglyph zu nutzen und zeigen den aktuellen Füllstand in einer Gauge-Anzeige. Fährt man mit dem Mauszeiger über ein Mülleimer Icon, werden in einem Tooltop genaue Informationen zum Mülleimer, Füllstand und Anzahl der Einwürfe angezeigt.

Das Dashboard

Der finale Prototyp besteht aus verschiedenen Sichten, um unterschiedliche räumliche und zeitliche Fragen zu beantworten. Es beinhaltet

• eine KPI-Leiste
• der Karte mit den Standorten der Mülleimer
• Balken- und Liniendiagramm zur Anzeige von Besuchern und der Temperatur, sowie
• ein kumuliertes Liniendiagramm zur Anzeige der Einwürfe und des Füllstands.

Um die täglichen Informationen direkt auf einen Blick zu bekommen, haben wir am oberen Rand des Dashboards eine Übersicht über die Temperatur, die Besucherzahl und die heutige Anzahl der Einwürfe aller Ultra Fills angegeben. Diese ändern sich stündlich und basieren auf Live-Daten.

Darunter befindet sich ein Diagramm, was die Korrelation zwischen Temperatur und Besucheranzahl verdeutlichen soll, um den ersten Teil unserer These zu stützen.

Für Mülleimer, die auf der Karte ausgewählt werden, bekommt man in einem weiteren Diagramm Informationen zu den Anzahl der Einwürfe und dem aktuellen Füllstand. Hierbei kann man auch immer gut erkennen, wann ein Mülleimer geleert wurde und wie oft dieser benutzt wurde.

Neben dem Dashboard haben wir auch eine zusätzliche Homepage-Seite entwickelt, um den Nutzern zusätzliche Informationen über das Projekt zu liefern.

Dies dient dazu, den Kontext und den Zweck des Projekts zu erläutern und den Nutzern zu helfen, die dargestellten Daten besser zu verstehen. Darüber hinaus schafft es eine persönliche Verbindung zwischen den Nutzern und dem Projektteam, da es uns ermöglicht, uns selbst vorzustellen und einen Einblick in unsere Arbeit und unseren Hintergrund zu geben.

Technologische Implementierung

Um unser interaktives Dashboard und die Homepage zu erstellen, haben wir auf die bewährte Kombination aus IntelliJ als unserer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) und dem Angular-D3-Framework zurückgegriffen.

IntelliJ

IntelliJ wurde aufgrund seiner umfangreichen Funktionen und Zuverlässigkeit als unsere IDE ausgewählt. Es unterstützt eine Vielzahl von Programmiersprachen und Frameworks und bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche, die unseren Entwicklungsprozess erleichtert hat. Der intelligente Code-Editor, die leistungsstarke Fehlerverfolgung und die Autovervollständigungsfunktionen sind einige der Eigenschaften, die uns bei unserer Arbeit geholfen haben. Diese Eigenschaften haben uns geholfen, unseren Code effizient zu schreiben und zu überprüfen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern und Inkonsistenzen verringert wurde.

Angular

Angular ist ein Open-Source-Framework zur Entwicklung von Webanwendungen, das von Google entwickelt und gewartet wird. Angular ist bekannt für seine Fähigkeit, Single-Page-Applications (SPA) zu erstellen. Es bietet eine Reihe von Funktionen, wie Zwei-Wege-Datenbindung, Abhängigkeitsinjektion, Modularität und die Verwendung von TypeScript, einem streng typisierten Superset von JavaScript. Angular ermöglicht es uns, gut strukturierte, wartbare und testbare Frontend-Anwendungen zu erstellen.

D3

D3 (Data-Driven Documents) ist eine JavaScript-Bibliothek, die zur Erstellung komplexer und anpassbarer Datenvisualisierungen verwendet wird. Mit D3 konnten wir Webstandards wie HTML, SVG und CSS nutzen, um visuelle Darstellungen von Daten zu erzeugen. D3 ermöglicht es, interaktive Grafiken zu erstellen, die sich dynamisch an Datenänderungen anpassen können. Mit D3 können Benutzer durch Zoomen und Ziehen navigieren, Details-on-Demand bereitstellen und komplexe Visualisierungslayouts erstellen.

Die Integration von D3 in Angular ermöglicht es uns, die Datenvisualisierungsfähigkeiten von D3 mit den robusten und modularen Fähigkeiten von Angular zu kombinieren. Das bedeutet, dass Sie Visualisierungskomponenten erstellen können, die in die Angular-Architektur integriert sind, und die damit verbundenen Datenflüsse und -aktualisierungen werden nahtlos gehandhabt.

Erkenntnisse

Nach einer eingehenden Analyse der Daten, die wir während der BUGA 2023 gesammelt haben, haben wir mehrere interessante Erkenntnisse gewonnen. Eines der Hauptziele unseres Projekts war es, den Zusammenhang zwischen verschiedenen Variablen wie der Temperatur, den Besucherzahlen und dem Abfallaufkommen zu verstehen.

Korrelation zwischen Temperatur, Besucherzahlen und Abfall

Eine bemerkenswerte Entdeckung ist die Korrelation zwischen der Temperatur, den Besucherzahlen und dem Abfallaufkommen. Entgegen unserer These, dass bei wärmerem Wetter mehr Besucher auf der BuGa sind, steigt die Besucherzahl im Sommer an weniger heißen Tagen. An Tagen, an denen die Temperaturen über 25 °C liegen, sinken die Besucherzahlen. Die erhöhte Besucherzahl führt jedoch trotzdem zu einer erhöhten Nutzung der Abfalleimer, was sich in den Füllständen der Smart Waste-Mülleimer widerspiegelt.

Diese Erkenntnis stützt sich auf die Analyse unserer Daten, die einen deutlichen Anstieg der Abfallmenge an Tagen mit niedrigeren Temperaturen zeigt. Die Korrelation zeigt sich auch in den Besucherzahlen, die an kühleren Tagen höher sind. Dieses Muster ist sowohl auf Wochenend- als auch auf Wochentagsbasis konsistent, was auf eine starke Verbindung zwischen diesen drei Variablen hinweist.

Die Erkenntnisse können dazu beitragen, die Ressourcenplanung und das Abfallmanagement bei zukünftigen BUGA-Veranstaltungen oder ähnlichen Großveranstaltungen zu verbessern. Bei der Vorhersage von angenehmen und nicht zu heißem Wetter können Veranstalter zusätzliche Abfalleimer bereitstellen und die Entleerungshäufigkeit erhöhen, um der zu erwartenden Zunahme des Abfallaufkommens gerecht zu werden.

Abweichungen in den Mülleimerdaten

Nicht alle Mülleimer folgen diesem allgemeinen Muster. Einige Mülleimer zeigen ungewöhnliche Füllmuster, die nicht mit den Besucherzahlen oder der Temperatur korrelierten. Dies könnte auf eine Reihe von Faktoren hinweisen, darunter mögliche Fehlfunktionen der Sensoren, die Standortwahl der Mülleimer oder die Art und Weise, wie die Mülleimer von den Besuchern genutzt werden.

Beispielsweise haben wir festgestellt, dass einige Mülleimer trotz hoher Besucherzahlen und warmer Temperaturen nie voll zu sein scheinen. Eine mögliche Erklärung dafür könnte sein, dass diese Mülleimer an Orten aufgestellt sind, die von den Besuchern weniger genutzt werden. Alternativ könnten sie so groß oder so selten genutzt sein, dass sie seltener geleert werden müssen.

Unabhängig von den Gründen sind solche Abweichungen wichtig, da sie uns Hinweise darauf geben können, wie wir die Effizienz des Abfallmanagements weiter verbessern können. Es könnte beispielsweise sinnvoll sein, die Standorte der Mülleimer zu überprüfen und sie gegebenenfalls an Orte mit höherem Besucheraufkommen zu verlegen. Ebenso könnten mögliche Sensorfehlfunktionen untersucht und behoben werden, um sicherzustellen, dass wir genaue und zuverlässige Daten erhalten.

Mehr Müll an gut besuchten Orten

Dadurch, dass wir die Mülleimer nach Standort auf der Karte eingepflegt haben, konnten wir erkennen, dass die Mülleimer, die näher bei Kiosks und Kantinen waren, mehr gefüllt sind als andere Mülleimer. Ansammlungen von Menschen, die durch Essen mehr Müll produzieren, sind in unserem Dashboard gut erkennbar.

Ausblick und Verbesserungsmöglichkeiten

Unser Projekt bei der BUGA 2023 hat uns eine Fülle an Daten und Erkenntnissen geliefert, die dabei helfen können, zukünftige Maßnahmen zur Verbesserung der Abfallentsorgung zu planen und umzusetzen. Basierend auf den gesammelten Daten und unseren Erkenntnissen lassen sich folgende mögliche Verbesserungen und zukünftige Schritte identifizieren:

Optimierung der Standorte der Mülleimer

Unsere Daten haben gezeigt, dass einige Mülleimer weniger genutzt wurden als andere. Dies könnte auf ihre Platzierung zurückzuführen sein. Eine detaillierte Analyse der Nutzungsmuster der Mülleimer könnte dazu beitragen, ihre Standorte besser zu optimieren. Mülleimer, die an weniger frequentierten Orten platziert sind, könnten an Orte mit höherem Besucheraufkommen verlegt werden. Diese Maßnahme könnte dazu beitragen, die Abfallentsorgung effizienter zu gestalten und die Umgebung sauberer zu halten.

Verbesserung der Sensorik

Einige unserer Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Sensorik in einigen Mülleimern möglicherweise nicht korrekt funktioniert. Es wäre sinnvoll, eine gründliche Überprüfung und Wartung der Sensoren durchzuführen, um sicherzustellen, dass sie korrekt arbeiten und genaue Daten liefern. Darüber hinaus könnten wir auch über den Einsatz von fortschrittlichen Sensoren nachdenken, die detaillierte Informationen liefern können, wie z.B. das Gewicht des Abfalls, die Art des Abfalls (organisch, recycelbar usw.) und sogar die Identifizierung von spezifischen Abfallartikeln.

Verbesserung des Müllmanagements

Mit den Daten und den Erkenntnissen, die wir bisher gewonnen haben, haben wir die Möglichkeit, das Müllmanagement auf der BUGA zu optimieren. Indem wir die Füllstände der Mülleimer in Echtzeit überwachen, können wir die Logistik der Abfallentsorgung verbessern. Beispielsweise könnten wir die Sammelfahrzeuge effizienter planen, indem wir sicherstellen, dass sie nur zu Mülleimern fahren, die tatsächlich geleert werden müssen. Diese optimierte Routenplanung könnte dazu beitragen, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren und die Betriebskosten zu senken. Darüber hinaus könnten wir durch eine gezielte Aufklärung der Besucher über das korrekte Recycling dazu beitragen, die Menge an Restmüll zu reduzieren und so die Umwelt zu schonen.